Ukrainian Journal of Physical Optics 

Volume 21, Issue 2, 2020
Home page
 
 

Other articles 

in this issue
Analysis of multiband graphene-based terahertz square-ring fractal antenna

Zinelabiddine Mezache

Institute of Optics and Fine Mechanics, University of Ferhat Abbas Setif 1, Setif 19000, Algeria zinemezaache@yahoo.fr

Download this article

Abstract. A new terahertz square-ring patch antenna is designed basing on a very thin layer of graphene as a radiating patch. It is characterized by multiband operation and can improve the radiation pattern due to its self-similar property or fractal geometry. We analyze a graphene-based square-ring patch placed upon a silicon substrate with the thickness 3.25 µm. The structure has compact dimensions and radiates at a single frequency, 3.62 THz. Our antenna can also consist of a microstrip line to resonate at two (1.913 and 4.294 THz) or three (1.913, 3.167 and 4.260 THz) frequencies. This is achieved by varying the patch shape at the voltage standing-wave ratio less or equal to two. Our calculations are performed using a full-wave electromagnetic simulation based on a standard finite-difference time domain method. Various parameters like the return loss, the voltage standing-wave ratio, the gain and the efficiency are determined for the multiband operation regime.

Keywords: square ring, fractals, multiband resonance, graphene, terahertz antenna, finite-difference time domain method

UDC: 535, 537.5
Ukr. J. Phys. Opt. 21 93-102
doi: 10.3116/16091833/21/2/93/2020
Received: 21.02.2020

Анотація. Розроблено нову терагерцову смужкову антену з квадратним кільцем, яка використовує дуже тонкий шар графену як випромінюючу смужку. Антена характеризується багатодіапазонною роботою і має поліпшену діаграму випромінювання за рахунок самоподібних властивостей, тобто фрактальної геометрії. Проаналізовано смужку на основі графену на квадратному кільці, розміщеному на кремнієвій підкладці завтовшки в 3,25 мкм. Структура має компактні розміри і випромінює на одній частоті 3,62 ТГц. Антена також може складатися з мікросмужкової лінії, яка резонує на двох (1.913 і 4.294 ТГц) або на трьох частотах (1.913, 3.167 і 4.260 ТГц). Це досягають шляхом зміни форми смужки при коефіцієнті стоячої хвилі за напругою, меншому або рівному двійці. Розрахунки виконано в рамках повнохвильового електромагнітного моделювання на основі стандартного методу скінченних різниць у часовій області. Для режиму багатосмугової роботи визначено такі параметри як втрати повернення, коефіцієнт стоячої хвилі за напругою, підсилення та ефективність.
 
REFERENCES
  1. Geim A K and Novoselov K S, 2007. The rise of graphene. Nature Mater. 6: 183-191. doi:10.1038/nmat1849
  2. Hanson G W, 2008. Dyadic Green's functions for an anisotropic, non-local model of biased graphene. IEEE Trans. Antennas and Propagation. 56: 747-757. doi:10.1109/TAP.2008.917005
  3. Ignacio Llatser, Christian Kremers, Albert Cabellos-Aparicio, Josep Miquel Jornet, Eduard Alarcón, Dmitry N Chigrin, 2012. Graphene-based nano-patch antenna for terahertz radiation. Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications. 10: 353-358. doi:10.1016/j.photonics.2012.05.011
  4. Jemima Nissiyah G and Ganesh Madhan M, 2017. Analysis of single band and dual band graphene based patch antenna for terahertz region. Physica E. 94: 126-131. doi:10.1016/j.physe.2017.08.001
  5. Khan Md Abdul Kaium, Towqir Ahmed Shaem and Mohammad Abdul Alim, 2019. Analysis of graphene based miniaturized terahertz patch antennas for single band and dual band operation. Optik. 194: 163012. doi:10.1016/j.ijleo.2019.163012
  6. Bin Zhang, Josep Miquel Jornet, Ian F AkyildizIan F. Akyildiz, Zhi P Wu, 2019. Mutual coupling reduction for ultra-dense multi-band plasmonic nano-antenna arrays using graphene-based frequency selective surface. IEEE Access. 7: 33214-33225. doi:10.1109/ACCESS.2019.2903493
  7. Bala R and Marwaha A, 2016. Characterization of graphene for performance enhancement of patch antenna in THz region. Optik. 127: 2089-2093. doi:10.1016/j.ijleo.2015.11.029
  8. Yanbin Luo, Qingsheng Zeng, Xin Yan, Yong Wu, Qichao Lu, Chaofan Zheng, Nan Hu, Wenqing Xie, Xia Zhang, 2019. Graphene-based multi-beam reconfigurable THz antennas. IEEE Access. 7: 30802-30808. doi:10.1109/ACCESS.2019.2903135
  9. Tripathi Subodh Kumar, Mukesh Kumar and Ajay Kumar, 2019. Graphene based tunable and wideband terahertz antenna for wireless network communication. Wireless Networks. 25: 4371-4381. doi:10.1007/s11276-019-02101-8
  10. Shalini M and Ganesh Madhan M, 2019. Design and analysis of a dual-polarized graphene based microstrip patch antenna for terahertz applications. Optik 194: 163050. doi:10.1016/j.ijleo.2019.163050
  11. Yanbin Luo, Qingsheng Zeng, Xin Yan, Tao Jiang, Rongcao Yang, Jiayun Wang, Yong Wu, Qichao Lu, Xia Zhang, 2019. A graphene-based tunable negative refractive index metamaterial and its application in dynamic beam-tilting terahertz antenna. Microwave and Optical Technol. Lett. 61: 2766-2772. doi:10.1002/mop.31970
  12. Bafrooei Pedram M and Lotfollah Shafai, 1999. Characteristics of single-and double-layer microstrip square-ring antennas. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 47: 1633-1639. doi:10.1109/8.805910
(c) Ukrainian Journal of Physical Optics